軸流泵葉頂泄漏渦流場結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬與PIV試驗研究.pdf

1、軸流泵廣泛應(yīng)用于我國南水北調(diào)工程、大中型泵站和船舶噴水推進(jìn)等國家重大戰(zhàn)略工程。在軸流泵中，葉片頂端與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁面間存在間隙，并在葉片工作面與背面壓差作用下產(chǎn)生泄漏。葉頂泄漏流是影響主流流場，導(dǎo)致泄漏損失的根本原因。葉頂泄漏渦會帶來輪緣處的空化空蝕和壓力脈動現(xiàn)象，是影響泵的安全運行以及降低轉(zhuǎn)輪部件壽命的重要原因。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項目“軸流泵葉頂泄漏渦的空化機(jī)理研究（項目編號為51109093）”等的資助下完成。本文研究對

2、象為優(yōu)秀軸流泵水力模型TJ04-ZL-02號等比例縮放的模型泵，基于數(shù)值模擬和試驗研究兩種手段，系統(tǒng)地分析了模型泵葉頂泄漏渦的流動結(jié)構(gòu)以及瞬態(tài)特性，研究的主要內(nèi)容及取得的成果如下:
　　(1)對比研究了三種方案原方案，即PT、倒圓方案RT以及斜切方案CT的葉頂泄漏特性。相比于PT方案，RT方案的揚程和效率都略有下降，而CT方案的揚程和效率都略有升高。PT方案和CT方案間隙內(nèi)部兩端的速度差較大，而RT方案兩者的速度差較小，間隙出口的

3、泄漏速度WRT＞ WPT＞ WCT，間隙內(nèi)部總體的湍動能分布表現(xiàn)為kCT＞kPT＞kRT。RT葉頂工作面處的修圓處理大大降低了角渦的大小，改善了間隙內(nèi)的流動情況，但RT方案增加了泄漏量，形成較大的脫離渦和泄漏渦。CT方案葉頂?shù)谋趁嫘鼻泻?，間隙內(nèi)的角渦更加明顯，且間隙中形成較強(qiáng)的旋渦，但CT方案很好地控制并降低了泄漏渦的影響。RT方案使間隙內(nèi)的壓力場梯度平緩，但泄漏渦壓力區(qū)壓力最低，CT方案的低壓區(qū)范圍有所縮小。PT方案的臨界空化數(shù)最小，

4、CT方案次之，RT方案最大。由空泡體積分?jǐn)?shù)分布得知，RT方案將會對空化的初生產(chǎn)生抑制作用，從而能降低其初生空化數(shù)，但當(dāng)空化數(shù)較低時，其泄漏渦空化較為嚴(yán)重。CT方案角渦處容易發(fā)生空化，使得CT方案更容易初生空化，且空化數(shù)降低后會導(dǎo)致嚴(yán)重的間隙空化，但CT方案在一定程度上降低了泄漏渦空化的影響。
　　(2)通過PIV試驗手段，分別分析了模型泵在0.8Qopt，1.0Qopt，1.2Qopt三個工況下，泄漏渦在一個流道周期內(nèi)的13個拍攝

5、斷面上的渦量場。結(jié)果表明在1.0Qopt工況下，泄漏渦的產(chǎn)生前會伴隨著反向的誘導(dǎo)渦的出現(xiàn)。泄漏渦不斷地生長，范圍不斷增大，在上游產(chǎn)生與其有相同轉(zhuǎn)向的擴(kuò)散渦帶。泄漏渦主渦與葉頂間會產(chǎn)生連續(xù)的旋渦，其范圍小于泄漏渦主渦，隨后泄漏渦向上游耗散并消失。根據(jù)其渦心軌跡可以看出，泄漏渦隨著主流不斷向下游移動。在0.8 Qopt工況下，總體渦量場顯著的小于前者。其泄漏渦結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)在P5拍攝面上，泄漏渦發(fā)展到P9拍攝面，隨著旋渦的耗散，泄漏渦結(jié)構(gòu)已經(jīng)

6、較為模糊，渦心軌跡與額定工況比較更加偏離葉片背面。在1.2 Qopt工況下，總體渦量場大于額定工況。其泄漏渦結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)在P6拍攝面上，泄漏渦的起點位置與額定工況比較發(fā)生后移。隨著泄漏渦的范圍的擴(kuò)大，泄漏渦與葉頂之間的分離渦連成一片，該工況下泄漏渦的渦心軌跡更加偏向葉片背面。
　　(3)通過大渦模擬的手段研究了模型泵在額定工況下的葉頂間隙泄漏流瞬態(tài)特性和泄漏渦瞬態(tài)特性。對于葉頂泄漏流，隨著弦長系數(shù)的增加，間隙壓差和泄漏速度都成下降

7、趨勢。不同的弦長斷面上的壓差系數(shù)p*和間隙泄漏速度系數(shù)w*都呈現(xiàn)出周期性的瞬態(tài)波動，其波動的頻率遠(yuǎn)大于葉輪的轉(zhuǎn)頻和葉頻。總結(jié)出了間隙泄漏流的脈動機(jī)理:1）壓差的上升帶來了泄漏速度的提高，隨著泄漏的加速，又反過來削弱了壓差的增加。2）壓差的增加受到削弱后，壓差開始減弱，但壓差的變化還不足以抑制此時的泄漏速度的上升。3）壓差的減弱，緊接著帶來泄漏速度的下降，泄漏速度的下降又會反過來削弱壓差的減弱。4）隨后壓差開始增強(qiáng)，開始抑制速度的下降，同

8、樣壓差的變化還不足以抑制此時的泄漏速度的下降。間隙的壓差和泄漏速度構(gòu)成了相互促進(jìn)，同時又相互制約的關(guān)系，從而形成了葉頂間隙內(nèi)泄漏的瞬態(tài)特性。分析泄漏渦的空間渦結(jié)構(gòu)得出，泄漏主渦的長度、強(qiáng)度以及空間位置都具有波動的瞬態(tài)特性。而二級渦等一系列渦團(tuán)則表現(xiàn)為生長—耗散—生長的動態(tài)特性，耗散出去的渦帶向葉片出口下方移動，轉(zhuǎn)化為尺度更小的渦絲從而消失殆盡。平面泄漏渦瞬態(tài)演化的基本現(xiàn)象如下:反向的間隙泄漏流與主流的摻混、卷吸成TLV;葉片的移動伴隨著

9、泄漏流不停的流出，剛從間隙中出來的脫離旋渦具有較高的渦量，脫離渦遠(yuǎn)離葉片并形成二級泄漏渦、三級泄漏渦等;在泄漏渦之間或者主渦旁，由于流體粘性作用會誘導(dǎo)出與之反向的誘導(dǎo)渦;不同級數(shù)的泄漏渦與主渦混合，或各自混合，且隨著時間的推移渦量大小不斷減小，范圍不斷擴(kuò)大，直至完全耗散在主流中。渦心的瞬態(tài)特性導(dǎo)致監(jiān)測點會產(chǎn)生偏差，但各個面上的監(jiān)測點主頻與次頻表現(xiàn)為固定的幾個頻率值，這些頻率值受間隙脈動以及葉輪轉(zhuǎn)動等綜合因素的影響。但這與監(jiān)測點當(dāng)時所處的